Mikrobiota v etiopatogenéze a liečbe symptomatickej divertikulovej choroby hrubého čreva

Souhrn

V etiopatogenéze symptomatickej divertikulovej choroby (DD – diverticular disease) hrubého čreva má kľúčový význam patologicky zmenená mikrobiota spolu s imunitnou dysreguláciou a viscerálnou hypersenzitivitou. Mikrobiota hrubého čreva je variabilný ekosystém reprezentovaný okrem vírusov a húb dvoma dominantnými kmeňmi mikróbov Firmicutes a Bacteroidetes. Firmicutes predstavujú 60–80% zastúpenie v hrubom čreve, sú to grampozitívne anaeróby aj aeróby, niektoré sporulujúce, sem patria Faecalibacterium sp, Clostridium sp, Lactobacillacae, Biffidobacteria sp. Okrem baktérií je prítomná komunita húb (mykobióm alebo fungóm), tvorená predovšetkým Candida sp, najmohutnejšie zastúpená v dospelosti a veľmi variabilná v závislosti od veku, vonkajších vplyvov a stravy. Mikrobiotu ovplyvňuje množstvo vonkajších aj vnútorných vplyvov, ako stres, choroby, lieky, environment a iné. Pre symptomatickú DD sú typické špecifické zmeny v mikrobiote, ktoré je možné dokázať metabolomickými metodikami aplikovanej biológie. Súčasťou manažmentu symptomatickej DD je cyklická liečba rifaximínom, cieľom ktorej je modulovanie črevnej mikrobioty a následná úprava symptómového skóre choroby.

Klíčová slova:

dysbiosis – rifaximin – mikrobiota – symptomatická nekomplikovaná divertikulová choroba

Úvod

Mikrobiota, iným názvom mikroflóra, mikrobiotop, biotop, je spoločenstvo vzájomne spolunažívajúcich mikroorganizmov – baktérií, archaea, vírusov, húb, bakteriofágov, protozoí a helmintov. Microbiota je vo vzájomnom symbiotickom vzťahu s makroorganizmom. Mikrobióm je genetický materiál (genóm) mikroorganizmov, súčasťou ktorého je bakterióm (genóm baktérií), virióm (genóm vírusov), fungóm (genóm húb) atp. Mikrobiota osídľuje v rôznych zastúpeniach a množstvách celý organizmus vrátane oka, placenty, uropoetického traktu a ostatných systémov, ktoré sú v bežnom ponímaní sterilné (mnohé zložky mikrobioty nie sú diagnostikovateľné bežnými mikrobiologickými metodikami). Črevná mikrobiota je najväčšou populáciou (10¹⁴/ml) a najkomplexnejším systémom mikroorganizmov osídľujúcich hrubé črevo. Len samotné baktérie sú zastúpené deviatimi kmeňmi, takmer 2 tisíci druhmi a 15 tisíci rodmi. Mikrobióm obsahuje asi 9 miliónov génov, čo je 360× viac ako ľudský genóm. Diagnostiku a zloženie mikrobioty umožňujú metódy aplikovanej biológie, tzv. „omic“ metódy. Genomika, transkriptomika, proteomika a metabolomika sú metódy na diagnostiku kmeňov mikroorganizmov, ich funkcie a metabolitov. Črevná mikrobiota má fundamentálny vplyv nielen na funkcie hrubého čreva a tráviaceho traktu, ale aj na ostatné orgány a celý makroorganizmus. Patologicky zmenená mikrobiota (dysbióza) má významný podiel v etiopatogenéze chronických chorôb, ako sú symptomatická divertikulová choroba (DD – diverticular disease), chronické črevné zápaly, hepatálna encefalopatia, nealkoholová steatohepatitída, colon irritabile, diabetes mellitus 2. typu, kardiovaskulárne choroby, kolorektálny karcinóm a iné [1–3].

Zloženie mikrobioty hrubého čreva a jej funkcia

Mikrobiota hrubého čreva je variabilný ekosystém reprezentovaný okrem vírusov a húb dvoma dominantnými kmeňmi mikróbov Firmicutes (60–80% zastúpenie v hrubom čreve, grampozitívne anaeróby aj aeróby, niektoré sporulujúce, sem patria Faecalibacterium sp, Clostridium sp, Lactobacillacae, Biffidobacteria sp) a Bacteroidetes (20–40% zastúpenie, gramnegatívne anaeróby aj aeróby, nesporulujúce). Okrem baktérií je prítomná komunita húb (mykobióm alebo fungóm), tvorená predovšetkým Candida sp, najmohutnejšie zastúpená v dospelosti a veľmi variabilná v závislosti od veku, vonkajších vplyvov a stravy. Vírusy v luminálnom mikrospoločenstve majú dôležitú úlohu v kontrole a modulovaní imunitnej odpovede a tolerancie čreva na mikroorganizmy. Alterácia komenzálnych vírusov má za následok imunitnú dysreguláciu organizmu v patogenéze nešpecifických črevných zápalov aj akútnej divertikulitídy. Počas akútnej divertikulitídy bola potvrdená prítomnosť cytomegalovirových (CMV) proteínov v intestinálnych bunkách, u mladších pacientov bola zvýšená expresia génov kódujúcich protivírusovú odpoveď a proteíny. Všetci títo pacienti mali pozitívnu serológiu na CMV imunoglobulin (Ig) G. Eubiotické spoločenstvo mikroorganizmov v čreve má tri hlavné funkcie: metabolickú, štrukturálnu a protektívnu [3–5].

Metabolická funkcia spočíva v kontrole rastu črevného epitelu, metabolizovaní karcinogénov, syntéze vitamínov skupiny K a B, fermentácii vlákniny a hlienu, absorpcii železa. Baktérie (Bacteroides, Lactobacillus sp, Bifidobacterium, Faecalibacterium, Roseburia) fermentujú oligosacharidy a produkujú SCFA (short chain fatty acids) – propionát, butyrát a acetát, čo je dôležitý energetický substrát pre intestinálne bunky (60–70 % energetickej potreby). V lipidovom metabolizme potencujú hydrolýzu tukov upreguláciou expresie kolipázy. V metabolizme bielkovín podporujú proteolýzu produkciou proteináz a peptidáz, ktoré účinkujú v tandeme s pankreatickými proteázami. V metabolizme xenobiotík a liekov je evidentný efekt mikrobioty v prípade digitalisu, dekonjugácia irinotekanu či acetaminofénu. Microbiota je dôležitým prvkom v metabolizme rastlinných polyfenolov (rastlinných antioxidantov ako lignany, stilbény, flavonoidy, fenolové kyseliny). Požité rastlinné polyfenoly sú v čreve degyklované a hydrolyzované baktériami a až v tejto aktívnej forme sú vstrebávané do obehu a využité ako antioxidanty. V prípade dysbiózy perorálne prijaté polyfenoly nemajú účinok [6,7].

Štrukturálna funkcia má význam pri fortifikácii črevnej bariéry a pre udržanie jej integrity, pri indukcii tvorby slizničného IgA, spevňovaní a uzatváraní tesných spojení intestinálnych buniek, modulovaní imunitnej odpovede a aktivácii imunitného systému.

Protektívna funkcia – kompetitívna inhibícia patogénov, nutričná kompetícia, receptorová kompetícia, produkcia antimikróbnych faktorov.

Mikrobiota je pre každý makroorganizmus mimoriadne individuálna, okrem interindividuálnych rozdielov sú evidentné aj intraindividuálne zmeny. Variabilita u jedného jedinca je evidentná v rámci dňa, či v rámci sezón [8,9].

Črevná slizničná bariéra

Črevná bariéra je veľmi dômyselný systém ochrany makroorganizmu pred vonkajším prostredím. Jej základnou vlastnosťou je permeabilita, čo je v posledných rokoch cieľom pre prevenciu chorôb a ich liečbu. Porušená permeabilita čreva spolu s baktériovým prerastením v tenkom čreve a dysbiózou hrubého čreva sú kruciálnou zložkou v patogenéze mnohých črevných aj mimočrevných chorôb. Črevná bariéra predstavuje 400 m² plochy a vyžaduje 40 % energie organizmu. Bariéra bráni úniku vody a látok z organizmu, bráni prieniku antigénom, mikroorganizmom, zložiek deoxyribonukleovej kyseliny (DNA – deoxyribonucleic acid), tiel baktérií a iným patologickým zložkám prijatým z vonkajšieho prostredia do krvi. Dovoľuje výmenu molekúl medzi vonkajším a vnútorným prostredím a zabezpečuje vstrebávanie živín. Bariéra sa skladá z viacerých zložiek: črevná mikrobiota, hlienová vrstva, epitelové intestinálne bunky spojené tesnými spojeniami, podslizničný imunitný systém, krvné a lymfatické cievy a lokálny črevný neuroendokrinný systém (histamín, serotonín, proteázy, vazoaktívny intestinálny polypeptid, gastrický inhibičný polypeptid a iné). Chemickou zložkou bariéry sú digestívne enzýmy, antimikróbne látky produkované Panethovými bunkami, cytokíny a iné zápalové mediátory. Dysequilibrium v intestinálnej slizničnej bariére potencuje rozvoj mnohých črevných aj systémových ochorení. Porušená črevná bariéra a dysbióza sú induktorom inflamatórnej odpovede. Otvorenie tesných spojení umožňuje translokáciu mikróbov, zložiek ich tiel, lipopolysacharidov, DNA častí a metabolitov do podslizničného priestoru, kde sú spoznávané a eliminované lokálnym črevným imunitným systémom. Pri prekročení kapacity tejto obrany sa patogénne zložky dostávajú portálnym krvným riečiskom do pečene, kde sú spoznávané a eliminované Kupferovými bunkami, makrofágmi a imunitným systémom pečene s aktiváciou hviezdicových buniek. Indukuje sa tvorba prozápalových cytokínov, pri dlhotrvajúcom procese indukcia fibrózy. Alkohol a nadmerný prísun tukov v strave spôsobuje otvorenie tesných spojení s následnou translokáciou nebenefitných zložiek mikrobioty a jej metabolitov, čo spolu s indukciou inflamatórnej odpovede vysvetľuje steatohepatitídu indukovanú či už alkoholom alebo tukom [10,11].

Mikrobiota a jej účasť v patogenéze divertikulovej choroby

Symptomatická nekomplikovaná DD hrubého čreva (SUDD – symptomatic uncomplicated DD) sa vyskytuje asi u 20 % pacientov s divertikulami hrubého čreva. Pacienti bez ťažkostí majú diagnózu divertikulózy, bez symptómov. Alterácia mikrobioty môže byť spôsobená rôznymi environmentálnymi faktormi, psychickým a somatickým stresom, diétami, toxínmi, xenobiotikami, liekmi a hlavne antibiotikami, patogénmi. Z nich črevné patogény majú najväčší potenciál navodiť dysbiózu. Pre dysbiózu je typická nestabilita dominantnej zložky, redukcia diverzity (nízka rozmanitosť), redukcia množstva symbiontov a mohutné zastúpenie patogénov, ktoré sú za normálnych okolností v minorite a pod kontrolou dominantných kmeňov. Kvalitatívne sú redukované kmene Firmicutes s prevahou Bacteroidetes (adherentno invazívnych Escherichia coli, Proteobacteria, Clostridium difficile), redukcia Faecalibacterium Prausnitzi, redukcia kmeňa Roseburia sp. s významným poklesom produkcie SCFA s následným hladovaním kolonocytov. Linninge et al [7] zistili vyšetrením kolonickej mukózy počas elektívnych kolonoskopií vyšší výskyt Enterobacteriaceae (a z nich E. coli) v porovnaní s kontrolnou skupinou (p = 0,043), nebol rozdiel v baktériovej diverzite. Tento nález môže mať vzťah k chronickému low-grade zápalu v danej oblasti čreva. V etiopatogenéze symptomatickej DD (nekomplikovanej aj komplikovanej) má veľký podiel samotná dysbióza, popri imunitnej dysregulácii v teréne viscerálnej hypersenzitivity. Zmeny v črevnom mikroprostredí sa týkajú nielen dysbiózy, redukcii diverzity a premnoženia patogénov, ale aj kvality a efektivity črevnej bariéry. Za pomoci metabolomických metód aplikovanej biológie je možné kvalitatívne a kvantitatívne definovať aktuálne zastúpenie baktérií a ich podiel na symptómoch DD. V moči pacientov je možné dokázať metabolity kynurenín a hippurát, ktoré sú dôkazom dysbiózy. Fenotyp symptómov DD je závislý na type dysbiotickej kompozície. Pacienti so SUDD a meteorizmom majú v prevahe Ruminococcus sp (p = 0,032) v porovnaní s kontrolnou skupinou. Pacienti so SUDD a bolesťou brucha majú v dominancii Cyanobacterium sp (p = 0,032), pacienti s evidentným lokálnym zápalom a pozitívnym fekálnym kalprotektínom majú alfa diverzitu (p = 0,005) a nadbytok Lactobacillus (p = 0,004) v porovnaní s kontrolnou skupinou. Za zmienku stojí aj baktéria Akkermansia muciniphila, ktorá je významne zvýšená u pacientov so SUDD v colon descendens, mimo divertikulov. Po 30 a 60 dňoch liečby sa významne redukuje, avšak 90. deň už redukcia nebola významná. Zmeny v kolonizácii baktériou A. muciniphila mali signifikantný vzťah k symptómom SUDD. A. muciniphila je mukolytická baktéria žijúca v hlienovej vrstve čreva, degraduje mucín za účelom získania uhlíka a dusíka ako energetického zdroja. Produkuje SCFA a je symbioticky prospešná pre hostiteľa. Významne je znížená u pacientov s obezitou a metabolickým syndrómom, je evidentná negatívna korelácia s metabolickými parametrami ako body mass index, hmotnosť, hladina cholesterolu LDL, HDL a ostatných parametrov definujúcich metabolický syndróm. Mnohé štúdie hodnotili črevnú mikrobiotu počas divertikulitídy v porovnaní s kontrolnou skupinou bez zápalu. Pacienti s prvou epizódou akútnej divertikulitídy majú prevahu Proteobacteria sp s následnou zmenou diverzity mikroprostredia. Obezita je významným rizikovým faktorom symptomatickej DD. Súvisí to s alterovaným cytokínovým profilom, zmenenou črevnou mikrobiotou, zvýšeným intraabdominálnym tlakom, čo podmieňuje prítomnosť chronického subklinického zápalu už prítomných divertikulov v oblasti colon sigmoideum. Viac ako 70 % pacientov má zvýšenú infiltráciu sliznice makrofágmi v porovnaní so skupinou bez zápalu a symptómov. Analýza metabolitov evidentne potvrdzuje vzťah k symptómom DD, zápalovému mechanizmu a črevnej neuromotorickej dysfunkcii [12–14]. Na enterický nervový systém má vplyv okrem metabolitov baktérií aj oxid dusný produkovaný zvýšenou indukovateľnou NO syntázovou expresiou. V danom prípade je zvýšená tvorba oxidu dusného na baktériový patogénny podnet, ako proinflamatórna odpoveď. Proinflamatórny gradient má za následok zvýšené uvoľnovanie prozápalových cytokínov IL-1b, IL-6 a IL-10. Tvorba oxidu dusného je 4× zvýšená u pacientov so SUDD a 8× zvýšená pri SUDD s anamnézou akútnej divertikulitídy v porovnaní s kontrolami. Bežné patogény, ako napr. enteroinvazívne E. coli významne zvýšia expresiu indukovateľnej NO syntáz nielen u pacientov s DD, ale aj u kontrol. Okrem oxidu dusného však bola pozorovaná zvýšená produkcia proteínu S100B. Tento proteín je tvorený a uvoľnovaný enterickými gliovými bunkami. Alterácia gliových buniek participuje na patogenéze symptomatickej DD hrubého čreva. Gliové bunky čreva sú schopné interakcie s baktériami prostredníctvom toll-like receptorov, odlišujú patogény a probiotické baktérie. Lactobacillus paracasei, probiotický kmeň, je schopný modulovať kolonickú mikrobiotu v teréne chronickej inflamácie a signifikantne modifikovať toll-like receptorovú expresiu. Rôzne klinické prejavy DD súvisia s rôznou senzitivitou a odpovedavosťou kolonickej mukózy na proinflamačné stimuly [1,15–17].

Modulovanie črevnej mikrobioty rifaximínom, podstata liečby symptomatickej divertikulovej choroby

Liečba symptomatickej nekomplikovanej DD je komplexná, zahŕňa režimové opatrenia a vlákninu, modulovanie patologicky zmenenej mikrobioty rifaximínom, mesalazín, spazmolytiká a analgetiká. Racionálnym podkladom pre modulovanie mikrobioty sú genomické a metabolomické dôkazy o zmenenom črevnom ekosystéme so symptómovými konsekvenciami u pacienta. Rifaximín je takmer neabsorbovateľné antibiotikum (absorbovateľnosť je 0,04 %) so širokým spektrom účinku na grampozitívne aj gramnegatívne baktérie. Pôsobí v črevnom ekosystéme, v stolici sa nachádza vo vysokej koncentrácii a nemá systémové účinky na makroorganizmus. Okrem antimikróbneho účinku má veľké množstvo ďalších pozitívnych vlastností. Inhibuje rast baktérií, zvyšuje rezistenciu voči baktériovej infekcii, podporuje rast niektorých druhov ekosystému čreva ako Lactobacillus sp, Biffidobacterium sp., F. prausnitzi, Bacteroides, Clostridium, Eubacterium, Atopobium a Collinsella, čo je podstata jeho eubiotického efektu, moduluje baktériový metabolizmus a má protizápalovú aktivitu. Tieto kmene počas liečby veľmi rýchlo vyvinú mechanizmy rezistencie a majú možnosť rásť a zároveň sú patogénne kmene decimované do minoritnej kvantity. Rifaximín inhibuje syntézu baktériovej RNA – β podjednotka RNA polymerázy, tu majú bifidobaktérie mutáciu, čo tiež vysvetľuje jeho modulačný eubiotický efekt. Štúdie na myších modeloch, ale aj humánne metagenomické štúdie potvrdzujú zvýšenie množstva Lactobacilli sp v oblasti ilea, tento efekt nemá neomycín, taktiež nevstrebateľné antibiotikum. Rifaximín bol podávaný v dávke 1 200 mg denne počas 10 dní pri gastrointestinálnych chorobách vrátane DD. Zvýšený počet laktobacilov pretrvával ešte mesiac po liečbe, potom sa opäť redukoval. V prípade rifaximínu získanie rezistencie benefitných kmeňov mikrobioty je výhodné. Vznik rezistencie na rifaximín vyžaduje chromozomálnu mutáciu, ktorá je prenosná vertikálne a preto je raritne rozšírená medzi mikroorganizmami. Všetky rezistentné baktérie sa po ukončení liečby redukujú a miznú. Tieto charakteristiky sú potvrdené metagenomickými štúdiami. Eubiotický efekt rifaximínu je aj v podpore rastu laktobacilov, ktoré po internalizácii s toll-like receptormi redukujú prozápalovú aktivitu sliznice čreva s DD. Vzhľadom na vyššie uvedené skutočnosti bol rifaximín študovaný a jeho efekt bol potvrdený viacerými štúdiami, systematickými review a metaanalýzou. Je odporúčaný na liečbu SUDD a prevenciu akútnej divertikulitídy v cyklických režimoch po dobu 1 roka, alebo individuálne dlhšie. Mikrobiota a metabolóm sa počas liečby mení a modifikuje, čo potvrdzuje účasť dysbiózy alebo dysmetabolómu v patogenéze SUDD [15,18–20].

Záver

Mikrobiota hrubého čreva je komplexný dynamický ekosystém mikroorganizmov, ktoré sú v symbiotickej rovnováhe s makroorganizmom. Je súčasťou črevnej bariéry a svojim metabolizmom potencuje procesy makroorganizmu a hlavne hrubého čreva. Má dôležitú úlohu v kontrole a modulovaní imunitnej odpovede a tolerancie čreva na mikroorganizmy. Microbiota a hlavne dysbiotické mikroprostredie je súčasťou etiopatogenézy symptomatickej nekomplikovanej DD hrubého čreva. Spolu so zvýšenou senzitivitou enterického nervového systému majú za následok symptómy ako bolesti brucha, nafukovanie a poruchy vyprázdňovania. Patologicky zmenený biotop čreva je možné verifikovať vyšetrením metabolómu v moči. Patologický metabolóm (metabolity baktérií hrubého čreva) je typický pre rôzne fenotypy SUDD (nafukovanie, poruchy vyprázdňovania, bolesti alebo ich kombinácie). Neoddeliteľnou súčasťou liečebného manažmentu SUDD je modulovanie črevného biotopu nevstrebateľným antibiotikom rifaximínom v cyklickom režime, čo má za následok redukciu symptómov a zlepšenie kvality života pacienta, v neposlednom rade znižuje riziko výskytu akútnej divertikulitídy. Okrem antibiotického efektu má rifaximín tzv. modulačný efekt na črevnú mikrobiotu. Modulovanie spočíva v podpore rastu eubiotických kmeňov laktobacilov, bifidobaktérií a ďalších vybraných profitabilných baktérií.

Doručené/Submitted: 18. 9. 2019

Prijaté/Accepted: 7. 10. 2019

MUDr. Laura Gombošová, PhD.

I. interná klinika LF UPJŠ a UNLP

Trieda SNP 1

041 90 Košice

lauragombosova@yahoo.com